1、微波協(xié)同活性炭催化降解甲基橙廢水的研究緒論研究背景1.1 微波的性質(zhì)一般來(lái)說(shuō)，微波就是指頻率在300到30萬(wàn)兆赫茲的電磁波。微波的特點(diǎn)是它不僅具有電場(chǎng)的特性，同時(shí)還有磁場(chǎng)的特點(diǎn)，一般微波傳播能量都是借助于輻射的形式來(lái)完成的1。1.2 微波的加熱方式微波加熱與常規(guī)的加熱方式有所不用，是由于進(jìn)入物體內(nèi)部的能量被物質(zhì)吸收而變成熱能使物質(zhì)的溫度升高，是一種獨(dú)特的受熱方式，而且加熱面都是對(duì)于整個(gè)物體而言的，因此它就具有較小的溫度梯度，并且加熱效果比較均勻。而對(duì)于液體來(lái)講，由于微波僅僅會(huì)對(duì)其中的極性分子產(chǎn)生一定的作用，這些極性分子在微波電磁場(chǎng)的作用之下發(fā)生高速的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而碰撞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱效應(yīng)，此外還有由于受

2、到熱力學(xué)函數(shù)而發(fā)生相關(guān)的改變，因此反應(yīng)的活化能和分子化學(xué)鍵的強(qiáng)度就會(huì)降低2。許多磁性的物質(zhì)，比如像活性炭和過(guò)渡金屬等這些物質(zhì)，能夠?qū)ξ⒉ㄆ鸬胶軓?qiáng)的吸收作用，因此在微波表面就能夠產(chǎn)生許多熱點(diǎn)，往往這些熱點(diǎn)處的能量都要比其他的位置高很多，而且這個(gè)部位的化學(xué)反應(yīng)也是最為強(qiáng)烈的。因此微波輻射常作為催化條件作用于污染物的降解。2.1微波化學(xué)的發(fā)展對(duì)于微波化學(xué)的研究，特別是針對(duì)于微波等離子體這一方面的研究而言，早在1950年代左右就開始相關(guān)研究。等人借助于微波等離子體開創(chuàng)了一種微波等離子體原子發(fā)射光譜的新型研究領(lǐng)域。而到了1960年以后，微波等離子體被應(yīng)用在各種新型材料上，而我們所熟知的應(yīng)用最為廣泛的例如

3、納米材料、超硬材料、高分子材料等，而且這些材料當(dāng)前已經(jīng)有絕大部分應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。在1970年代左右，等人嘗試在微波爐當(dāng)中對(duì)樣品進(jìn)行干燥，之后又發(fā)明了微波消解處理生物樣品的這樣一種技術(shù)，而這種技術(shù)的成功打破了以往樣品處理的瓶頸，并且隨著化學(xué)分析技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，這種方法也逐漸作為標(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用到化學(xué)分析領(lǐng)域當(dāng)中。等3首先發(fā)表了關(guān)于苯氯甲燒和-氯代苯基氧鋼反應(yīng)制備-氯代苯基節(jié)基酷的微波合成論文。與常規(guī)的化學(xué)合成相比起來(lái)，微波化學(xué)具有較快的合成反應(yīng)速度，之后等人又在嘗試?yán)梦⒉ㄟM(jìn)行化合物的水解，以及化學(xué)成分的氧化、縮合、成環(huán)等各方面的反應(yīng)上，并且都通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明了這一方法的可實(shí)用性和優(yōu)越性，這些微

4、波化學(xué)研究的成功，是微波技術(shù)用于有機(jī)合成領(lǐng)域的開端，使其在之后的發(fā)展中有了良好的基礎(chǔ)，發(fā)展速度加快。微波技術(shù)的利用對(duì)于提升化學(xué)反應(yīng)的節(jié)能性和安全性以及環(huán)保性等諸多方面都有巨大的作用，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于這方面也開展了大量的研究。目前，微波技術(shù)在各個(gè)新興的領(lǐng)域當(dāng)中已經(jīng)得到廣泛利用，例如陶瓷材料、復(fù)合納米材料、發(fā)光材料等。另外在催化領(lǐng)域當(dāng)中，微波的利用還能夠有效的提升催化的速率，進(jìn)而也被應(yīng)用在甲燒分解以及一氧化氮的還原過(guò)程。而微波在溶解類型的化學(xué)分析領(lǐng)域當(dāng)中以及提取化學(xué)這方面而言，也取得了較為廣泛的認(rèn)可，例如可以結(jié)合微波設(shè)備進(jìn)行聚合物的產(chǎn)生，這樣能夠有利于超分子和高分子等類型的化學(xué)反應(yīng)。因此可以看出

5、，目前在化學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中，微波技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)范圍比較廣，而且對(duì)于整個(gè)化學(xué)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)還會(huì)起到一定的顛覆作用。2.2微波化學(xué)反應(yīng)作用機(jī)制微波電磁場(chǎng)在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中能夠破壞原有的熱力學(xué)平衡，這樣就能夠使得原有反應(yīng)體系當(dāng)中的平衡點(diǎn)產(chǎn)生改變，進(jìn)而就能增加反應(yīng)的速率。另外通過(guò)其他的研究也發(fā)現(xiàn)了電磁場(chǎng)對(duì)于物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)而言也會(huì)造成一定的影響。從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，在微波場(chǎng)的作用之下，一個(gè)反應(yīng)所需要的活化能就能降低，從而提升反應(yīng)的速率。另外，微波場(chǎng)還會(huì)使得反應(yīng)物電導(dǎo)性發(fā)生一定的變化，進(jìn)而提升許多化學(xué)反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移的方向性，這樣就對(duì)于整個(gè)反應(yīng)過(guò)程來(lái)說(shuō)，也提高了反應(yīng)的速度和轉(zhuǎn)化率。2.3微波化學(xué)目前的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)目前

6、世界各國(guó)關(guān)于微波化學(xué)的研究重點(diǎn)已經(jīng)從傳統(tǒng)的微波加熱干燥、食品加工等方面向微波催化、微波材料加工處理、微波提取、與其他技術(shù)的聯(lián)用發(fā)生轉(zhuǎn)變。目前的微波技術(shù)面臨著以下的幾個(gè)問(wèn)題。（1）微波技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究現(xiàn)在關(guān)于微波技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究是非常豐富的，但是將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電磁場(chǎng)理論相結(jié)合的研究缺不多。將關(guān)于微波技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)分析，得出電磁場(chǎng)的作用機(jī)理是現(xiàn)在所需要解決的問(wèn)題。催化劑在化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中能夠加快反應(yīng)的速度，主要原理是由于它可以降低反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中的活化能，站在電磁場(chǎng)的角度來(lái)分析，微波電磁場(chǎng)并不能夠起到催化劑的作用，它的原理是對(duì)反應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化，這樣能夠找到一種比催化劑效果更好的方法，同時(shí)也可以延長(zhǎng)催化劑壽命

7、。微波電磁場(chǎng)能夠?qū)ξ矬w的表面效應(yīng)進(jìn)行改善，而正是由于這種表面效應(yīng)改善了之后才導(dǎo)致了微波電磁場(chǎng)能夠起到催化劑的作用。（2）微波技術(shù)的創(chuàng)新與突破在現(xiàn)代化的微波技術(shù)當(dāng)中，一般會(huì)使用連續(xù)性的波磁控管產(chǎn)生連續(xù)的波功率微波源，而這種波源功率較高并且生產(chǎn)成本也比較低，具有較高的可靠性。憑借著這些優(yōu)點(diǎn)，能夠克服以往實(shí)驗(yàn)當(dāng)中功率穩(wěn)定差和重復(fù)率等諸多問(wèn)題，便于實(shí)驗(yàn)的開展和進(jìn)行?？萍嫉陌l(fā)展使多種新的微波技術(shù)出現(xiàn)，當(dāng)前居于最前列的味濃技術(shù)是通過(guò)脈沖來(lái)對(duì)波磁進(jìn)行空管，最終通過(guò)微波有序的停頓，使反應(yīng)的體系達(dá)到熱平衡，降低了熱點(diǎn)因素的影響，取得了比較好的效果，并且也減少了微波過(guò)程中副產(chǎn)物的積累。（3）微波技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化我國(guó)目

8、前對(duì)微波技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但如何將這些實(shí)驗(yàn)室中的研究應(yīng)用在工業(yè)上，實(shí)驗(yàn)微波技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，趕上世界發(fā)達(dá)國(guó)家的步伐依然沒(méi)有得到有效的解決。從微波工程的方面看，我國(guó)的微波技術(shù)的反應(yīng)儀器依然比較原始，反應(yīng)的反應(yīng)量也較小，許多實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)難點(diǎn)和問(wèn)題都還沒(méi)有被解決3 微波誘導(dǎo)氧化法3.1.1微波誘導(dǎo)氧化法原理物質(zhì)吸收微波的能力和其理化性質(zhì)有關(guān)。許多物質(zhì)為非極性化合物，需要在體系中添加“敏化劑”吸收微波輻射，并且將微波輻射傳遞到物質(zhì)中，使物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。微波誘導(dǎo)氧化法就是選用某些敏化劑作催化劑或者載體，微波與其發(fā)生作用，產(chǎn)生熱點(diǎn)，這些熱點(diǎn)與非極性的化合物發(fā)生反應(yīng)。受到微波熱效應(yīng)的影響，反

9、應(yīng)速度可能會(huì)有一定的變化，而這種變化與微波誘導(dǎo)催化氧的反應(yīng)是不一樣的，簡(jiǎn)單依靠熱效應(yīng)加快反應(yīng)速率，而后者的反應(yīng)中包括微波熱效應(yīng)的加速。Tse等4發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些具有自由基中間體的反應(yīng)，微波誘導(dǎo)催化的效果特別明顯，比如烯烴催化氧化、甲烷加成、烴類氧化等反應(yīng)。微波誘導(dǎo)反應(yīng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：其一，因?yàn)槲⒉〞?huì)在部分地方產(chǎn)生高溫，反應(yīng)物可以直接與催化劑表面的熱點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)。其二，反應(yīng)溫度能夠被控制，最終使得微波反應(yīng)的催化劑脫附之時(shí)不會(huì)發(fā)生較大的副反應(yīng)。3.3.2微波誘導(dǎo)氧化對(duì)污水處理效果影響有研究表明，在合適的反應(yīng)條件下，反應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)，從對(duì)廢水的降解效果來(lái)看，微波誘導(dǎo)氧化的效果相對(duì)更好，孫琪娟等5的研究便是

10、從該角度出發(fā)進(jìn)行的，其利用微波誘導(dǎo)將染料廢水用微濾等方式進(jìn)行處理之后，所用的催化劑便是顆粒性的活性炭，在其功率達(dá)到600w時(shí)候，反應(yīng)的效果十分理想，出水接近于無(wú)色。有實(shí)驗(yàn)表明6，當(dāng)微波功率在200W-700W時(shí)，條件適宜的情況下對(duì)印染廢水的脫色率可以達(dá)到98%以上。隨著微波的功率的升高，廢水的降解率上升，因?yàn)槲⒉üβ试礁?，微波作用可能產(chǎn)生的熱點(diǎn)數(shù)目也會(huì)增多，另外，隨著熱點(diǎn)數(shù)目的增多，其熱點(diǎn)的溫度相應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)隨之提升。反之亦然。因此反應(yīng)的效果就比較差。當(dāng)反應(yīng)的功率為400W-700W時(shí)，脫色的效果較為明顯。當(dāng)催化劑的量不變時(shí)，如果增加初始的廢水的濃度，由于反應(yīng)的熱點(diǎn)數(shù)目不會(huì)增加，所以相

11、同時(shí)間反應(yīng)的量也不會(huì)改變，在反應(yīng)的初期的處理效果就會(huì)下降。但如果反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，最終各種濃度的廢水的處理結(jié)果均會(huì)達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。4.染料廢水的來(lái)源科技的發(fā)展也帶來(lái)了印染工業(yè)的迅速發(fā)展，印染工業(yè)的急速發(fā)展會(huì)導(dǎo)致各種污水的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致其中含有大量的有毒物質(zhì)，使環(huán)境進(jìn)一步受到損害。其中污染物的主要成分是印染的殘余染料和助劑，并讓印染廢水具有一些特殊的顏色。大量的難以降解的有機(jī)污染物進(jìn)入水體，對(duì)水體產(chǎn)生嚴(yán)重污染。本文選擇甲基橙作為印染污水的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。因甲基橙的分子結(jié)構(gòu)在各種條件之下均具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，所以被認(rèn)為是難降解的有機(jī)染料。故選其作為印染污水代表模型。在某方面可以說(shuō)，降解甲基橙的能力可以反應(yīng)出

12、對(duì)印染污水處理的能力。5.課題研究意義水是人類賴以生存的最重要的資源。水不僅是一切生物所必須的化合物，而且水環(huán)境為人類提供了生態(tài)的多樣性和豐富的生物資源。隨著人類的活動(dòng)，水環(huán)境也逐漸被污染，而人類活動(dòng)中對(duì)水環(huán)境污染最大的是工業(yè)生產(chǎn)。工業(yè)生產(chǎn)每天都要產(chǎn)生大量的廢水、廢渣，這些廢水廢渣沒(méi)有合理進(jìn)行處理便直接排入水中，在影響水質(zhì)的同時(shí)更是造成了極大的環(huán)境污染。因此，對(duì)廢水處理的研究具有重大意義，將直接影響到水質(zhì)和生態(tài)安全。工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢水對(duì)水環(huán)境造成了極大的污染，工業(yè)廢水中的污染物以有機(jī)污染物為主。水環(huán)境中的有機(jī)污染物毒性大、難以分解，如硝基化合物、氯代有機(jī)物、多環(huán)芳烴類化合物、酚類化合物等。目前，染料污染物是水環(huán)境中相對(duì)比較難處理的有機(jī)污染物，其毒性大，色澤深，難降解，污染嚴(yán)重。同時(shí)，染料又是工業(yè)上被極廣泛使用的工業(yè)物質(zhì)，絕大多數(shù)工業(yè)廢水中含有染料。因此，水環(huán)境中的有機(jī)污染物主要是指染料污染物。6.研究?jī)?nèi)容本論文主要研究微波降解甲基橙、活性炭催化降解甲基橙以及微波協(xié)同活性炭降解甲基橙這三種辦法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出微波協(xié)同活性炭降解甲基橙的優(yōu)勢(shì)。比較在不同的氧化劑濃度、ph等環(huán)境下的不同情況。1、 微波與活性炭對(duì)甲基橙降解率的影響（1） 微波作用對(duì)甲基橙降解率的影響（2